Прослеживая структурную эволюцию квази

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 7559 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1908 г.

8 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

За последнее десятилетие исследования 2D-материалов значительно расширились благодаря популярности графена. Хотя химическая инженерия двумерных элементарных материалов, а также гетероструктур активно развивается, фундаментальное понимание синтеза двумерных материалов еще не завершено. Структурные параметры, такие как коробление или структура интерфейса 2D-материала с подложкой, напрямую влияют на его электронные характеристики. Чтобы продолжить понимание роста элементов и связанной с ним возможности настройки свойств двумерных материалов, мы провели исследование структурной эволюции многообещающего двумерного материала германена на Ag (111). В настоящей работе рассмотрены германиевые образования при различной толщине слоя вплоть до возникновения квазиавтономного германена. Используя мощные инструменты анализа поверхности, такие как дифракция медленных электронов, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и рентгеновская фотоэлектронная дифракция с синхротронным излучением, мы раскроем внутреннюю и межфазную структуру всех обнаруженных германиевых фаз. Кроме того, мы представим модели атомной и химической структуры поверхностного сплава \(\hbox {Ag}_2\hbox {Ge}\) и квазиавтономного германена с особым акцентом на структурные параметры и электронное взаимодействие на границе раздела. .

Германен, двумерный аналог германия, привлек внимание всего мира в ходе первого синтеза и анализа графена. Это дало добро новому поколению химической технологии двумерных материалов, которые прославились своими выдающимися электронными свойствами, такими как, например, линейная дираковская дисперсия и необычайно высокая подвижность носителей заряда1,2. Обращение к двумерным полупроводниковым материалам с увеличивающимся атомным номером, таким как силицен, германен, станен и т. д., дополнительно открывает возможность воспользоваться преимуществами топологических изоляторов и спиновых эффектов, открывая путь для высокоскоростной наноэлектроники3,4. Что касается вычислительных технологий следующего поколения, неизбежно следует рассматривать новые материалы для изготовления полевых транзисторов (FET) с размерами элементов менее \({5}\,\hbox {нм}\)5. Помимо множества приложений на основе графена6, недавно были реализованы даже удивительно эффективные транзисторы на основе силицена и германена7,8. Столкнувшись с проблемами внедрения в производство перспективных 2D-материалов, необходимо улучшить понимание процессов синтеза и структурного формирования этих материалов.

Расчеты из первых принципов определили стабильную двумерную фазу германия9, расположенную в виде сотовой структуры с низким изгибом и многообещающими электронными свойствами10. Носители заряда в германене ведут себя как безмассовые фермионы Дирака, подвижность которых может быть в 2 раза больше, чем у металлоподобного графена10,11. С другой стороны, сильная спин-орбитальная связь германена открывает запрещенную зону, которую можно дополнительно перестраивать внешним электрическим полем10,12. Один из способов контролировать электронные свойства германена для различных применений — это использовать ключевой структурный параметр — коробление. Это гофрирование сотовой решетки было рассчитано как \(\delta ={0,69}\) Å для отдельно стоящего германена13, поскольку его размер напрямую коррелирует с долей \(sp^2\)- и \(sp^3\ )-гибридизированные связи14. В то время как высокий изгиб приводит к большой запрещенной зоне в зонной структуре германенов15, германен с низким изгибом также представляет большой интерес, поскольку ширина запрещенной зоны все еще больше, чем у силицена, и может быть реализован квантовый спиновый эффект Холла (QSHE)16. Более того, величина выпучивания германена сильно зависит от растущей подложки-носителя17. Ag(111) оказался многообещающим кандидатом для синтеза отдельно стоящего германена, учитывая обнадеживающие предсказания о конусах Дирака в германене на серебре18, а также умеренное взаимодействие и плохой перенос заряда на границе раздела по сравнению с другими субстратами19,20,21. Но даже фазы германиевого сплава на Ag(111) имеют в своей электронной структуре черты Дирака22.